頁巖氣開發(fā)技術(shù)淺論

吳佳良

（中國(guó)海油上海分公司西湖作業(yè)公司 上海 200135）

美國(guó)的“頁巖氣革命”，對(duì)國(guó)際天然氣市場(chǎng)及世界能源格局產(chǎn)生了重大影響。近年來，中國(guó)頁巖氣年產(chǎn)量在逐年提高，2016年為78.8億立方米，2017年增加到90億立方米。產(chǎn)量提升的同時(shí)，頁巖氣開采技術(shù)研究也取得了較大的進(jìn)展，但和北美等地區(qū)先進(jìn)的開采能力相比，還存在一定的差距。因此，研究并提升頁巖氣的開采技術(shù)水平是十分必要的。

1 頁巖氣及其分布情況

1.1 什么是頁巖氣

頁巖氣是指賦存于以富有機(jī)質(zhì)頁巖為主的儲(chǔ)集巖系中的非常規(guī)天然氣，是連續(xù)生成的生物化學(xué)成因氣、熱成因氣或二者的混合，以游離態(tài)存在于天然裂縫和孔隙中，以吸附態(tài)存在于干酪根、黏土顆粒表面，還有極少量以溶解狀態(tài)儲(chǔ)存于干酪根和瀝青質(zhì)中，游離氣比例一般在20%～85%。

1.2 頁巖氣可采資源量

從全世界范圍看，頁巖氣資源主要分布在北美、拉美、中亞、中東、北非等地區(qū)和中國(guó)、俄羅斯等國(guó)家。世界頁巖氣資源量為457萬億立方米，其中頁巖氣技術(shù)可采資源量為187萬億立方米。全球頁巖氣技術(shù)可采資源量排名前5 位國(guó)家依次為：中國(guó)（36 萬億立方米，約占20%）、美國(guó)（24 萬億立方米，約占13%）、阿根廷、墨西哥和南非。

1.2 頁巖氣的特點(diǎn)

頁巖氣開發(fā)具有開采壽命長(zhǎng)和生產(chǎn)周期長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)——大部分產(chǎn)氣頁巖分布范圍廣、厚度大，且普遍含氣，使得頁巖氣井能夠長(zhǎng)期地穩(wěn)定產(chǎn)氣。但頁巖氣儲(chǔ)集層滲透率低，開采難度較大。

頁巖氣藏的儲(chǔ)層一般呈低孔、低滲透率的物性特征，氣流的阻力比常規(guī)天然氣大，所有的井都需要實(shí)施儲(chǔ)層壓裂改造才能開采出來。另一方面，頁巖氣采收率比常規(guī)天然氣低，常規(guī)天然氣采收率在60%以上，而頁巖氣僅為5%～60%。

中國(guó)頁巖氣藏的儲(chǔ)層與美國(guó)相比有所差異，如四川盆地的頁巖氣層埋深要比美國(guó)的大，美國(guó)的頁巖氣層深度在800～2600米，而四川盆地的頁巖氣層埋深在2000～3500米。頁巖氣層深度的增加無疑在我們本不成熟的技術(shù)上又增添了難度。

2 頁巖氣主要開采技術(shù)

頁巖氣的開發(fā)和利用有利于緩解油氣資源短缺，增加清潔能源供應(yīng)，是常規(guī)能源的重要補(bǔ)充。目前，世界頁巖氣開采技術(shù)，主要有水平井分段壓裂技術(shù)、清水壓裂技術(shù)和同步壓裂技術(shù)等，這些先進(jìn)的技術(shù)不斷提高著頁巖氣井的產(chǎn)量。

2.1 水平井分段壓裂技術(shù)

水平井的成本一般是垂直井的 1～1.5倍,800～1000m水平段的常規(guī)水平井鉆井及完井投資約為 700萬美元，而產(chǎn)量是垂直井的3倍左右。目前85%的頁巖氣開發(fā)井為水平井分段壓裂, 如美國(guó)新田公司在 Woodford 頁巖中的部分開發(fā)井就采用 5～7 段式壓裂。

2007年開始，水平井分段壓裂技術(shù)成為非常規(guī)油氣開發(fā)的主體技術(shù)，開始在北美大規(guī)模應(yīng)用，并在國(guó)內(nèi)塔里木、遼河、大慶、西南等多個(gè)油氣田得到了廣泛應(yīng)用。前國(guó)內(nèi)外水平井分段壓裂的工藝技術(shù)方法，主要分為四大類。

2.1.1 化學(xué)隔離技術(shù)

國(guó)內(nèi)外在20世紀(jì)90年代初采用該技術(shù)，主要用于套管井。其基本做法是∶①射開第一段，油管壓裂；②用液體膠塞和砂子隔離已壓裂井段；③射開第二段，通過油管壓裂該段，再用液體膠塞和砂子隔離；④采用這種辦法，依次壓開所需改造的井段；⑤施工結(jié)束后沖砂沖膠塞合層排液求產(chǎn)。該技術(shù)工序繁雜，作業(yè)周期長(zhǎng)，綜合成本高，在世界范圍內(nèi)推廣應(yīng)用較為緩慢。

2.1.2 機(jī)械械封隔技術(shù)

機(jī)械封隔隔技術(shù)也用于套管井，主要有機(jī)械橋塞與封隔器結(jié)合或雙封封隔器單卡分壓或環(huán)空封隔器分段壓裂等技術(shù)。主要有以下3種種：①機(jī)械橋塞+封隔器分段壓裂；②環(huán)空封隔器分段壓裂；；③雙封隔器單卡分壓。該技術(shù)在淺層油藏應(yīng)用相對(duì)成熟，在在深井應(yīng)用中還需改進(jìn)與完善。

2.1.3 限流流壓裂技術(shù)

限流壓裂技術(shù)是在壓裂過程中，當(dāng)壓裂液高速通過射孔孔眼進(jìn)入儲(chǔ)層時(shí)會(huì)產(chǎn)生孔眼摩阻且隨泵注排量的增加而增大，帶動(dòng)井底壓力的上升，當(dāng)井底壓力一旦超過多個(gè)壓裂層段的破裂壓力，即在每一個(gè)層段上壓開裂縫，它要求各個(gè)段破裂壓力基本接近，可用孔眼摩阻來調(diào)節(jié)。該技術(shù)多用于形成縱向裂縫的水平井，分段的針對(duì)性相對(duì)較差。

2.2 水力噴砂技術(shù)

水力噴砂射孔壓裂聯(lián)作技術(shù)是集射孔、壓裂、水力封隔一體化的新型增產(chǎn)措施，適用于多種完井方式的油氣井增產(chǎn)，施工周期短、安全可靠性高、作業(yè)成本低，是目前國(guó)際上低滲透油氣儲(chǔ)層改造的研究熱點(diǎn)之一。

根據(jù)伯努利（Bernoulli）方程原理，將壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，射流增壓與環(huán)空壓力疊加超過破裂壓力并維持裂縫延伸。采用一種特殊的噴射/壓裂工具，通過兩個(gè)步驟將地層裂縫打開（圖1）。水力噴砂射孔壓裂技術(shù)原理是采用攜砂高壓前置液，將套管、水泥環(huán)、地層射穿，并實(shí)施壓裂或酸化。

該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：①無需單獨(dú)射孔，直接噴砂壓裂完成射孔壓裂作業(yè)，射孔、壓裂一次完成；②施工時(shí)只需下一次管柱，可解決多層射孔壓裂作業(yè)；③實(shí)現(xiàn)一套工具完成多層施工；④不動(dòng)管柱一次噴砂射孔兩層；⑤施工時(shí)間短。

圖1 水力噴砂射孔切割巖石原理示意圖

2.3 清水壓裂技術(shù)

清水壓裂技術(shù)也稱為減阻水壓裂技術(shù)，是指在清水中添加很少量的減阻劑、黏土穩(wěn)定劑和表面活性劑作為壓裂液來進(jìn)行壓裂的技術(shù)。該技術(shù)是用清水添加適當(dāng)?shù)臏p阻劑作為壓裂液來替代通常使用的凝膠壓裂液, 可以在不減產(chǎn)的前提下節(jié)約 30% 的成本, 在低滲透油氣藏儲(chǔ)層改造中取得很好的效果。

2.3.1 清水壓裂技術(shù)的主要特點(diǎn)

清水壓裂主要有以下特點(diǎn)∶①較大的施工間隔段；②工作液效率低、用量大；③工作液粘度低、形成的裂縫寬度較窄；④攜砂能力差；⑤要求較高的泵注排量,以補(bǔ)償工作液的高濾失；⑥形成的裂縫幾何形狀較復(fù)雜。

2.3.2 該技術(shù)提高巖石滲透率的依據(jù)

天然的縫面不吻合和產(chǎn)生粗糙縫面,剪切應(yīng)力使縫面偏移，同時(shí)在裂縫擴(kuò)展時(shí)，水力裂縫將開啟早已存在的天然裂縫，提高巖層的滲透率；若用其他壓裂液進(jìn)行壓裂處理，往往不能對(duì)進(jìn)入氣層中的壓裂液進(jìn)行徹底清洗，而水壓裂采用的壓裂液主要為清水，是一種清潔壓裂技術(shù)，這也是提高巖層滲透率的重要因素之一。該技術(shù)已經(jīng)成為美國(guó)德克薩斯Barnett頁巖氣田的主要開采手段。

2.4 同步壓裂技術(shù)

同步壓裂技術(shù)是指同時(shí)對(duì)2口或2口以上的鄰近平行井進(jìn)行壓裂。在同步壓 裂中，壓裂液及支撐劑在高壓下從一口井沿最短距離向另一口井運(yùn)移，這樣就增 加了裂縫網(wǎng)格的密度和表面積，從而快速提高頁巖氣井的產(chǎn)量。

同步壓裂一方面可以促使水力裂縫擴(kuò)展過程中相互作用，產(chǎn)生更復(fù)雜的縫網(wǎng)，增加改造體積，提高氣井產(chǎn)量和最終采收率；另一方面它是2口或2口以上相鄰且平行的水平井交互作業(yè)，逐段實(shí)施分段壓裂。采用這種技術(shù)在短期內(nèi)增產(chǎn)效果很明顯。

這項(xiàng)技術(shù)是近幾年在沃斯堡盆地Barnett頁巖氣開發(fā)中成功應(yīng)用的最新壓裂技術(shù)。目前已從兩口互相接近且深度大致相同水平井間同時(shí)壓裂,發(fā)展到3口、甚至4口井間同時(shí)壓裂。

3 結(jié)論

中國(guó)可采頁巖氣儲(chǔ)量雖然巨大，但中國(guó)的頁巖地層更深、斷層更多，且位于人口密集的山區(qū)，導(dǎo)致開采成本高、鉆探難度大。因此，借鑒外國(guó)先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，更要立足本國(guó)實(shí)際，研究、發(fā)展更適合國(guó)情的開采技術(shù)，并逐步形成科學(xué)有效的工廠化作業(yè)方式，才有可能更好地促進(jìn)中國(guó)頁巖氣的生產(chǎn)。